Особенности проектирования цельноповоротного оперения

Лекция 4

К цельноповоротному оперению относятся как киль, так и стабилизатор. При этом цельноповоротные кили применяются значительно реже, чем стабилизаторы, и их конструктивно-силовая схема принципиально ничем не отличается от схемы стабилизатора.

Рис. 1 Рис. 2

Рассмотрим конструктивно- силовые схемы, схемы стыковки и привода цельноповоротных поверхностей оперения. В конструкциях этих поверхностей применяются две схемы размещения подшипников оси вращения, которые во многом определяют конструктивно-силовые схемы этих поверхностей.
В первой схеме (рис.1,а) подшипники устанавливают на силовых шпангоутах фюзеляжа (или лонжеронах киля), ось неподвижно связана с конструкцией стабилизатора. Во второй схеме (рис.1,б) ось неподвижно связана с конструкцией фюзеляжа, а подшипники устанавливают в самом стабилизаторе.
Конструктивные особенности первой схемы связаны с тем, что все виды нагрузок (изгибающий и крутящий моменты, перере­зывающая и нормальная силы), действующих на стабилизатор, передаются на фюзеляж только через одну ось, которую поэтому вне стабилизатора выполняют трубчатого сечения. У бортовой

нер­вюры внутри стабилизатора трубчатое сечение оси переводится в двутавровое сечение лонжерона стабилизатора, которое лучше воспринимает изгиб, а крутящий момент воспринимается конту­ром стабилизатора. Очевидно, что для обеспечения наименьшей массы оси при ее наибольшей жесткости необходимо проектировать ось максимально большого диаметра. Для этого ее необходимо уста­навливать в месте наибольшей толщины профилей стабилизатора. Однако, как следует из рис.2, при таком положении пря­мой оси (А) расстояние от нее до центра давления стреловидного стабилизатора, особенно на сверхзвуковых скоростях, получается очень большим и, следовательно, большим будет шарнирный момент стабилизатора. Если для уменьшения шарнирного момента установить прямую ось стреловидного стабилизатора таким обра­зом, чтобы она проходила приблизительно посередине между поло­жениями центра давления при дозвуковых и сверхзвуковых ско­ростях (Б), то шарнирные моменты стабилизатора существенно уменьшатся, но обеспечить прочность (и особенно жесткость) оси вследствие малой строительной высоты в хвостовой части про­филя практически невозможно.

Поэтому при проектировании цельноповоротных поверхностей оперения с большим углом стреловидности их ось часто уста­навливают с некоторым углом стреловидности , как показано на рис.2 (положение С), а также в схемах, приведенных на рис.1. При таком положении оси обеспечиваются как раз­мещение ее приблизительно по линии максимальных толщин про­филей, так и наименьшие значения шарнирных моментов.

Однако выбор стреловидности оси вращения цельноповорот­ных поверхностей управления не настолько прост, как это может показаться. Де­ло в том, что при этом выборе приходится учитывать и ряд других важных факторов (потребную мощность привода, эффективность поворотной поверхности и создаваемое ею сопротивление, кон­структивную сложность выполнения узлов крепления и привода и др.).

С увеличением угла стреловидности оси расстояние от этой оси до центров давлений поверхности управления первоначально уменьшается, а затем вновь начинает увеличиваться. Аналогично меняется и величина шарнир­ного момента.

Изменение действующих на поверхность управления аэроди­намических сил, а следовательно, и ее эффективность как органа управления, определяется изменением угла установки этой по­верхности в набегающем потоке (), а не угла поворота оси ().

Эти углы связаны соотношением из которого следует, что при увеличении угла стреловидности оси для сохранения неизменными характеристик управля­емости необходимо увеличить как сами углы поворота оси, так и скорость их изменения (для неизменности времени перекладки).

Вследствие этого увеличивается и потребная мощность привода.

Таким образом, для каждой формы стреловидной поверхности управления определяется оптимальный угол стреловидности оси ее вращения из условия минимальной потребной мощности при­вода .

Аэродинамическое качество поверхности управления харак­теризуется соотношением между составляющими аэродинамиче­ских сил, направленными перпендикулярно потоку (полезная подъемная сила, используемая для создания управляющих момен­тов) и вдоль него (вредная сила сопротивления).

С ростом стрело­видности оси вращения эта характеристика заметно ухудшается, поскольку с ростом стреловидности оси отклоняемая поверхность все больше поворачивается не «поперек потока», а «в потоке».

Наряду с ухудшением аэродинамического качества примене­ние поверхностей управления со стреловидной осью вращения вы­зывает ряд конструктивных трудностей, связанных с необходи­мостью разделения осей для правой и левой половин стабилиза­тора, а также с ростом потребных углов поворота этих осей при увеличении их стреловидности.

Если ось общая, то изгибающие моменты с правой и левой консолей стабилизатора замыкаются на ней и на фюзеляж не пере­даются. Поэтому, если ось прямая, конструкция стыковых узлов и шпангоутов получается наиболее легкой. Кроме того, в этом случае легко осуществляется компоновка привода стабилизатора, так как закрепленный на оси рычаг качается в плоскости, парал­лельной оси самолета. Поэтому силовые приводы стабилизатора (гидроусилители) легко компонуются даже в достаточно узком пространстве между бортом фюзеляжа и расположенным внутри двигателем, что часто бывает на легких сверхзвуковых самолетах.

При выполнении стреловидных осей разрезными, рычаги, связанные со стреловидными осями, качаются в пересекающихся плоскостях, расположенных под углами к продольной оси самолета (см. рис.1). Поэтому гидроусилители могут устанавливаться го­ризонтально только либо выше, либо ниже установленных в хво­стовой части фюзеляжа двигателей. Если стабили­затор установлен в среднем положении относительно фюзеляжа, компоновка гидроусили­телей в достаточно узком пространстве между бортами фюзеляжа и двигателями весьма затруднена и предпочтительным их положением является вертикальное.

Перечисленные выше недостатки схем цельноповоротных по­верхностей управления со стреловидными осями вращения за­частую практически сводят на нет выигрыш от уменьшения шарнир­ных моментов. В связи с этим все большее распространение получает схема цельноповоротных поверхностей управления с нестреловидной осью вращения. Для уменьшения шарнирных момен­тов при нестреловидной оси вращения цельноповоротных поверх­ностей управления применяется специальная форма этих поверх­ностей в плане (треугольная или трапециевидная малого удлине­ния с весьма тонкими профилями, как, например, на рис.3, в, г, д, е).

а — при стреловидной форме с большим углом стреловидности; б — при сравнительно небольшой стреловидности;

в — при треугольном оперении; г, д — различные варианты силовых схем оперения малого удлинения с небольшой стреловид­ностью (на схеме г пунктиром показана применяемая иногда в подобных схемах косая нервюра);

е — нестреловидное оперение малого удлинения.

Рис. 3

Поскольку ось вращения цельноповоротных поверхностей уп­равления для уменьшения величин шарнирных моментов, как правило, располагается между центрами давления при до- и сверх­звуковых скоростях, то на режимах полета с дозвуковыми скоро­стями такие поверхности оказываются перекомпенсированными (статически неустойчивыми, так как шарнирный момент стреми­тся все дальше отклонять их от исходного положения).

Это исклю­чает возможность использования перехода на аварийное безбустерное управление и для повышения безопасности полета заста­вляет применять более высокие степени резервирования приво­дов.

Наиболее часто применяемые конструктивно-силовые схемы цельноповоротных поверхностей управления с заделанной осью (подшипники в фюзеляже) показаны на рис.3.